propiedades_mecanicas

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

M.Sc. RAFAEL RAMIREZ RESTREPO

OBJETIVOS • Explicar los conceptos básicos asociados con las propiedades mecánicas de los materiales • Evaluar los factores que afectan las propiedades mecánicas de los materiales. • evisar al!unos de los procedimientos básicos de ensa"os que se usan en in!enier#a para evaluar las propiedades.

OBJETIVOS • Explicar los conceptos básicos asociados con las propiedades mecánicas de los materiales • Evaluar los factores que afectan las propiedades mecánicas de los materiales. • evisar al!unos de los procedimientos básicos de ensa"os que se usan en in!enier#a para evaluar las propiedades.

$O%TE%I&O • • • • • • • • •

$lasificaci'n de las propiedades (ropiedades )ecánicas Ensa"o a tensi'n Ensa"o de dure*a Ensa"o de impacto Ensa"o de flexi'n Ensa"o de tenacidad a la fractura Ensa"o de fati!a )etalo!raf#a

$+,SI-I$,$IO% &E +,S (O(IE&,&ES &E +OS ),TEI,+ES Propiedades Propiedades de los materiales Químicas •Composición. •Inclusiones. •Electronegatividad. •Configuración espacial •Resistencia uímica •Resistencia a la

o!idación o corrosión •Inflama"ilidad

Físicas •#&rmicas •Magn&ticas •El&ctricas •'pticas •(c)sticas •*ravim&tricas •Color

Mecánicas •#enacidad •Ductilidad •Dure$a •Fatiga •R. a tensión •R. al corte •R. al do"le$ •R. a la compresión •R. a #ermofluencia #ermofluencia

Dimensional •Formas disponi"les •#ama%os #ama%os disponi"les •#e!tura #e!tura superficial •#olerancias de

manufactura

(O(IE&,&ES )E$,%I$,S • +a propiedades mecánicas son caracter#sticas que determinan el comportamiento del material cuando se sueta a esfuerzos mecánicos. • En diseño  el obetivo !eneral es que el producto resista esfuer*os sin un cambio si!nificativo o sustancial en su !eometr#a " por consi!uiente no falle

(O(IE&,&ES )E$,%I$,S • ¿Cómo medir las propiedades de los materiales !e se !tili"a# para el dise$o de eleme#tos i#di%id!ales o compo#e#tes de estr!ct!ras&

Una respuesta es mediante los ensayos mecánicos

(O(IE&,&ES )E$,%I$,S +. Resistencia a tensión ,. Elasticidad Ensayo de tracción o tensión -. Plasticidad . #enacidad /. Ductilidad 0 fragilidad 1. Dure$a 2. Resistencia a compresión3 fle!ión3 do"le$ 0 torsión. 4. Resistencia a la termofluencia 5. #enacidad a la fractura. +6.7ímite de fatiga

E%S,/O &E TE%SI0% • Esfuer*o axial 1σ2 σ  

=

 F  ( Fuerza uniaxial )  A0 ( área original  sección transversal )

Sistema Internacional  σ  

=

 N  2

[ Pascal :1 Pa]

m Sistema U .S . σ  

=

libra fuerza in

2

[1 Psi ]

E%S,/O &E TE%SI0% • &eformaci'n 1ε2 ∆l (Variación longitud  muestra ) ε  = l 0 ( longitud  inicial muestra ) Sistema Internacional  ε 

=

mm

mm Sistema U .S . ε 

=

in in

E%S,/O &E TE%SI0% • Comportamie#to del material c!a#do es sometido a car'a a(ial.

Comportamiento Elastico8 Material regresa a sus dimensiones originales una ve$ se suprime la fuer$a. Comportamiento Plastico8 Material se deforma 0 no puede regresar a su dimensión inicial una ve$ se suprime la fuer$a.

E%S,/O &E TE%SI0% • )áquina 3niversal de Ensa"o donde el material se somete a una car!a axial.

E%S,/O &E TE%SI0% • Tipos de probetas se!4n norma ,ST) E 5678

Pro)eta cil*#drica

Pro)eta Pla#a

E%S,/O &E TE%SI0% • 9rafica Fuerza-Desplazamiento entre!ada por la )áquina 3niversal de Ensa"o: para obtener la !rafica EsfuerzoDeformación " as# obtener las (ropiedades )ecánicas del material. • Es+!er"o de • • • • •

+l!e#cia Ri'ide" Resilie#cia Resiste#cia a la te#sió# D!ctilidad Te#acidad

E%S,/O &E TE%SI0%  .   e   s   n   e   c    i    l   r   e    d   n   '   n    i   e   r   e    !    d   e   s   '    k   r   a   "   e    d   a   r    t   a   s    i

   &

  $   n    i   n   r   a   e    #   n   o

  s   "   o    !      .   c   n    %  ,   $   n    i   n   r   a   e    #   n   o   s   "   o    !        f   o   n   o    i   s    i   v    i    d   a  ,   e    l   o    C    /   s    k   o   o   r    B    3    0    0    2    )   c    (

E%S,/O &E TE%SI0% (ropiedades obtenidas de la ;ona Elastica • )odulo de elasticidad o modulo de /oun! 1E2< es el producto de dividir el esfuer*o entre la deformaci'n unitaria en el tramo elástico. σ 9train

:<

:< E = :;

:; 9tress

( Esfuerzo )

σ  

 E  = ε 

( Deformación )

cero 20 *+a

ε

l'"inio  *+a

E%S,/O &E TE%SI0% σ

(ropiedades obtenidas de la ;ona Elastica

• i!ide*< es la

capacidad de no deformarse en la *ona elástica al aplicar un esfuer*o " está representado por la pendiente de la recta o E.

ε

E%S,/O &E TE%SI0% (ropiedades obtenidas de la ;ona Elastica  .   e   s   n   e   c    i    l   r   e    d   n   '   n    i   e   r   e    !    d   e   s   '    k   r   a   "   e    d   a   r    t   a   s    i    &   $   n    i   n   r   a   e    #   s   n   "   o   o    !      .   c   n    %  ,   $   n    i   n   r   a   e    #   n   o   s   "   o    !        f   o   n   o    i   s    i   v    i    d   a  ,   e    l   o    C    /   s    k   o   o   r    B    3    0    0    2    )   c    (

• i!ide*< • =$uál material es más r#!ido el acero 1Steel2 o el aluminio 1,luminum2> • =(or qu?>

El acero es más r#!ido: a ma"or pendiente ma"or ri!ide* " ma"or )odulo de /oun!.

E%S,/O &E TE%SI0% (ropiedades obtenidas de la ;ona Elastica σ

• +imite elástico< (unto

en la !rafica donde termina el modulo de elasticidad. Se pasa de la *ona elástica a la *ona plástica. • Esfuer*o de fluencia < esfuer*o donde se !enera una deformaci'n plástica en el material de @:A. ε

E%S,/O &E TE%SI0% (ropiedades obtenidas de la ;ona Elastica σ

• esiliencia< la capacidad que tiene un material de absorber ener!#a antes de deformarse plásticamente. • Se representa por el área bao la curva de la *ona elástica. ε

E%S,/O &E TE%SI0% (ropiedades obtenidas de la ;ona (lastica σ

+a resistencia a la tensi'n del material< es el esfuer*o máximo re!istrado en la !rafica 1σ6ε2

ε

E%S,/O &E TE%SI0% (ropiedades obtenidas de la ;ona (lastica σ

TE%,$I&,&< ES +, E%E9I, (O 3%I&,& &E VO+3)E% C3E (3E&E  ,BSOBE 3% ),TEI,+ ,%TES &E O)(ESE: ES EC3IV,+E%TE ,+ ,E, &EB,JO &E +, $3V,.

E%S,/O &E TE%SI0% (ropiedades obtenidas de la ;ona (lastica σ

&3$TI+I&,&< ES +, $,(,$I&,& C3E TIE%E 3% ),TEI,+ (,, &E-O),SE (+,STI$,)E%TE  ,%TES &E -,$T3,.

E%S,/O &E TE%SI0% (ropiedades obtenidas de la ;ona (lastica σ 9 # R  E 9 9 Mpa

(l ,6,>#empered

=$uál material es más tena*> El ,l A@AD Tempered tiene un ma"or área sobre la curva.

=$uál material es más ductil> El ,l A@AD ,nnealed: ambos poseen i!ual ri!ide* pero este se deforma @.A mientras el otro @.AA

(l ,6,>(nnealed

ε 9train

E%S,/O &E TE%SI0% σ

$omportamiento de una probeta sometida a un ensa"o de tensi'n.

 .   e   s   n   e   c    i    l   r   e    d   n   '   n    i   e   r   e    !

   d   e   s   '    k   r   a   "   e    d   a   r   t   a   s    i

   &

  $   n    i   n   r   a   e    #   n   o   s   "   o    !      .   c   n    %  ,   $   n    i   n   r   a   e    #   n   o   s   "   o    !        f   o   n   o    i   s    i   v    i    d   a  ,   e    l   o    C    /   s    k   o   o   r    B    3    0    0    2    )   c    (

ε

E%S,/O &E TE%SI0% Variaci'n entre una !rafica real " una de in!enier#a para el esfuer*o " la deformaci'n de un material

E%S,/O &E TE%SI0% TI(OS &E -,$T3,

FR(C#?R( D?C#I7

FR(C#?R( FR(*I7

E%S,/O &E TE%SI0% TI(OS &E -,$T3,

FR(C#?R( D?C#I7

FR(C#?R( FR(*I7

CARACTERISTICAS MICROESTRUCTURALES DE LA FRACTURA EN LOS MATERIALES METALICOS

FRACTURA FRAGIL. ormalmente la super!cie de "ractura es lisa y perpendicular al es"uer#o aplicado en tensión.

(c)2003 Brook s/Cole, a division of !o"son #earnin$, %nc. !o "son #earnin$& is a trade"ark 'sed !erein 'nder license.

Patron de Chevrón producido por frentes separados de grietas que se propagan a distintos niveles en el material.

9,-I$, σ6ε (,, V,IOS ),TEI,+ES

&3E;, • +a dure*a es una medida de la resistencia de un metal a la deformaci'n permanente.1plástica2. Ensa"os de dure*a< • Brinell: VicFers: Gnoop: ocFHell. Escala de dure*a de los materiales • )acrodure*a< $uando se mide la dure*a utili*ando car!as ma"ores a A %eHtons. • )icrodure*a< $uando se mide la dure*a utili*ando car!as menores a A %eHtons. • %anodure*a< &ure*a de materiales medidos a una escala de @ nm de lon!itud utili*ando car!as extremadamente pequeas1@@ K%2

CARACTERISTICAS ,ASICAS DE LOS DIFERENTES METODOS DE D-REZA

)ETO&O BI%E++ D = diámetro del penetrador en mm  Di = diámetro de la huella dejada por el penetrado

F = carga aplicada en kgf . Se utiliza mucho para materiales de dureza baja y media porque el penetrador es una esfera de Carburo cementado, con cargas de !!, "!! y #!!! $g f .

 !

2 F 

=

π    D

( D

−

 D

2

−

 Di

2

)

EJERCICIO %Una medición de la dureza Brinell, utilizando un penetrador de 10 mm de diámetro y una carga de 00 !g, produce una "uella de #. mm de diámetro en una placa de aluminio. Determine el n$mero de dureza Brinell de este material.

 !

2 F 

=

π    D

( D −

 D

2

−  Di

2

)

()*U+)Di % #. mm &

D % 10 mm &

F % 00 'gf

2  00 $f 

B =

2

10 ""(10"" − 10

π

B  30 k$f /""

2

−

2

-. )

METODO VICKERS Este mtodo se !tili"a para toda clase de materiales/ d!ros o )la#dos.

F es la carga aplicada &kgf' 13

d es el promedio de las dos diagonales en mm. d1

 es el área de la huella en mm(

/ntonces 2 % 1.3 F 4 d15 La car'a F p!ede ser de 01 'ramos 2asta 341 5ilo'ramos.

METODO VICKERS

@uella AicBers

ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL  ENSAYO

(c)2003 Brooks/Cole, a division of !o"son #earnin$, %nc. !o"son #earnin$& is a trade"ark 'sed !erein 'nder license.

D-ROMETRO

)I$O&3E;, G%OO(

&3E;, • ES$+EOS$O(IO • Es un instrumento que mide la altura del rebote de un LmartilloM que se dea caer desde cierta altura sobre la superficie del metal que se prueba. • Este instrumento se basa en la ener!#a mecánica absorbida por el material cuando el identador !olpea la superficie.

COMPARACION DE ENSAYOS TIPICOS DE DUREZA

RELACION ENTRE LA DUREZA BRINELL Y LA LA RESISTENCIA A LA TENSION PARA ALGUNAS ALEACIONES

E%S,/O &E I)(,$TO • +a tenacidad es una medida de la cantidad de ener!#a que un material puede absorber antes de fracturarse. • 3no de los m?todos más sencillos de medida de la tenacidad es utili*ar un aparato de ensa"o de impacto.

E%S,/O &E I)(,$TO

ENSAYOS DE IMPACTO. CHARPY E IZOD  ENSAYOS

(c)2003 Brooks/Cole, a division of !o"son #earnin$, %nc. !o"son #earnin$ & is a trade"ark 'sed !erein 'nder license.

ENSAYOS DE IMPACTO. CHARPY 6"o7"f 8 % )nerg*a consumida por la probeta al romperse. 6"o7"f 8 4 área % 9 % :esiliencia. %9 es una medida de la tenacidad que se puede de+nir como la capacidad que tiene un material para recibir tensiones ocasionales superiores al limite elástico sin que se produzcan fracturas.

PROPIEDADES OBTENIDAS DEL ENSAYO DE IMPACTO.  .   e   s   n   e   c    i    l   r   e    d   n   '   n    i   e   r   e    !    d   e   s   '    k   r   a   "   e    d   a   r    t   a   s    i    &   $   n    i   n   r   a   e    #   n   o   s   "   o    !      .   c   n    %  ,   $   n    i   n   r   a   e    #   n   o   s   "   o    !        f   o   n   o    i   s    i   v    i    d   a  ,   e    l   o    C    /   s    k   o   o   r    B    3    0    0    2    )   c    (

E%S,/O &E &OB+E; • esistencia a la rotura transversal

%&S  =

1. F$ "#

2

(c)2003 Brooks/Cole, a division of !o"son #earnin$, %nc. !o"son #earnin$ & is a trade"ark 'sed !erein 'nder license.

 .   e   s   n   e   c    i    l   r   e    d   n   '   n    i   e   r   e    !    d   e   s   '    k   r   a   "   e    d   a   r    t   a   s    i   $    &   n    i   n   r   s   a   e   "    #   o    !   n       o  .   c   n    %  ,   $   n    i   n   r   a   e    #   n   o   s   "   o    !        f   o   n   o    i   s    i   v    i    d   a  ,   e    l   o    C    /   s    k   o   o   r    B    3    0    0    2    )   c    (

+urva esfuerzo7de;etenida con el ensayo de ;elez, pero no se fractura. (i a"ora se invierte la dirección del do>lez y el proceso se repite varias veces, el clip se romperá con una carga menor que la necesaria si se estirara el alam>re "asta su fractura. E+ómo ocurre la falla

ENSAYO DE FATIGA. $*) e /()&0$e +% 1%"!2%% /n una representación simplicada de este proceso, la deformación plástica "ace que las dislocaciones se muevan y se crucen entre sI. %  *as intersecciones "acen disminuir la movilidad de las dislocaciones , y para que contin$e la deformación se requiere la nucleación de más dislocaciones. %  *a mayor densidad de dislocaciones degrada la perfección cristalográca del material, y nalmente se forman microgrietas que crecen "asta un tamaAo sucientemente grande como para que se produzca la falla catastróca.

S0/e(1!$!e &e 1(%$"0(% /)( 1%"!2% atr5n de marcas de playa

)striaciones< muestran la posici5n de la punta de la grieta despu:s de cada c*clo.

E+ómo se realiza un ensayo de fatiga ay varios mKtodos que permiten conocer las propiedades de fatiga de un material, uno de ellos es el ensayo de fatiga de pro>eta en voladizo cargada por un eserva en la siguiente gura.

ENSAYO DE FATIGA

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a rademark !sed herein !nder license.

)l esfuerzo máimo que act7a sobre la probeta es, > = #(= ? πd#, donde = es el momento de @ei5n, d es el diámetro. ero = = F . 6*458 por lo tanto, > = "2F* ?πd#

E%S,/O &E -,TI9,

Ensayo de fati$a rotacional i+o de +ro4eta

RESULTADOS DEL ENSAYO DE FATIGA %l es"uer#o l&mite para "ati%a ) de+nido como el esfuerzo por debajo del cual eiste una probabilidad del ! de que ocurrirá falla por fatiga. )s el criterio de dise6o preferido. )ste /alor es de 2!,!!! psi para el acero de herramientas de la siguiente +gura. %La vida a "ati%a ) indica cuánto resiste un componente a un esfuerzo en particular. or ejemplo si al acero para herramientas de la siguiente +gura se le somete en forma c*clica a un esfuerzo de 4!,!!! psi, la /ida a fatiga será de "! c*clos. %La resistencia a la "ati%a)  es el esfuerzo máimo con el cual no ocurrirá fatiga en un n7mero con/encional de c*clos, por ejemplo !!"! 2 . )s necesaria al dise6ar con materiales como el aluminio y los pol*meros  debido a que estos dos materiales no tienen un esfuerzo l*mite para fatiga.

RESULTADOS DEL ENSAYO DE FATIGA. C0('% S3N

(c)2003 Brook s/Cole, a division of !o"son #earnin$, %nc. !o"son #earnin$ & is a trade"ark 'sed !erein 'nder license.

urva (7-, o de esfuerzo7cantidad de cIclos a la falla para un ace de "erramienta y una aleación de aluminio.

TERMOFLUENCIA % ?ermo;uencia o deformación gradual en los metales y en las cerámicas, es un proceso por el que un material se alarga a travKs del tiempo >ao una carga aplicada y condiciones de temperatura diferente a la am>iente 65JL+8. %/s un proceso activado por la temperatura, y esto signica que la rapidez de alargamiento, para determinado valor de esfuerzo, aumenta muc"o con la temperatura. %La termo4uencia es en e*tremo sensi'le a la

microestructura del material.

ENSAYO DE TERMOFLUENCIA  ENSAYO %  or ejemplo, los álabes de turbina en los motores de reacci5n pueden alcanzar una temperatura local de "(!!AC, por lo que el comportamiento de termo@uencia es un factor básico para seleccionar materiales y procesos adecuados para esos álabes. %  Sin embargo, se debe hacer notar que el t:rmino alta temperatura es relati/o, y que depende del material que se considera. ara los materiales de motores a reacci5n, la alta temperatura puede ser mayor de B!!AC, mientras que para los pol*meros y para la soldadura de esta6o, la alta temperatura puede ser (!AC.

ENSAYO DE TERMOFLUENCIA

4356 ENSAYO DE TERMOFLUENCIA

#as dislocaciones +'eden ascender y ale5arse de los o4st6c'los, c'ando los 6to"os se a+artan de la l7nea de dislocación +ara crear interticios o +ara llenar vacancias (a). C'ando los 6to"os se fi5an a la l7nea de dislocación creando vacancias o eli"inando interticios (4).